CN1314057A - 用于校正重放系统缺陷的主动数字音频/视频信号修正 - Google Patents
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Abstract
公开了用于监视(207)来自音频/视频系统(205,206)的输出信号并根据所述监视的输出信号修正(203)输入到该系统的输入信号(200)的方法和设备。在一个实施例中,所述音频/视频系统的系统响应被确定(202)以及所述输入信号(200)按照所述系统响应被修正(203),以使得所述输出信号是所述输入信号的最佳重现。
Description
本发明涉及监视和修正音频/视频系统的输入和输出信号的设备。监视和修正信号可以补偿扬声器、收听空间和音频/视频系统的其它元件中的缺陷。
现今家庭娱乐系统或其它音频视频系统中呈现的声音和视频的质量大多数由信号路径的最后一级中的元件(扬声器和显示装置)的质量来决定。这些装置常常是音频/视频重放时保真度的主要根源。一个原因是因为这些装置是开环系统。换句话说，它们没有反馈机制来补偿所采用的换能器中的变化和限制以及换能器与环境的交互作用。另一个原因是，这些最后级的装置由于与构建高保真度部件有关的价格极高的花费，通常遵守不太严格的技术设计规范。
用高保真度扬声器来说明，理想的扬声器驱动器包含磁铁/话音(电动机)组件，它把模拟电信号理想地变换成特定的力。然后，这个力产生特定的机械运动，它快速地和精确地驱动和停止扬声器的鸣叫，以便重现相同形状的声波。不用说，为了达到从电信号到如此精确的机械运动的这样复杂的变换，不仅仅多半需要很多的校正，也需要被特别构建来产生在扬声器中的特定的机械运动量的零件。
过去一直在试图改进最后的声音和图象输出质量。一些努力集中在建造甚至更好和更精密的扬声器或显示装置上。另一些努力集中在产生“和值与差值”信号以及使用这样的信号来产生增强的立体声信号。再一些努力集中在设计精确的均衡器上，在该均衡器中特定的频率范围内的特定的信号的幅度或者被衰减或者被提升。又一些努力涉及让熟练的技术人员把音频测试信号(即，突发声音、扫频音调，白色和粉色噪声等)和视频测试信号(即，交叉阴影线、彩色条，点阵等)加到音频/视频设备，把结果的输出与预期的输出进行比较，以及按照比较结果人工调节音频/视频设备。
由于高速处理器的激增，现在有可能实时执行许多信号或图象的处理算法。由于早已可提供的半导体材料和非易失性贮存装置能够在很长的时间间隔内存储大量数据，所以即使在把信号施加到系统的输入端与在系统的输出端给出该信号之间存在很大的延时时也能够采用这些算法。结果，设备或通用计算机系统可以利用这些信号或图象处理技术中的某些技术来主动地监视和校正音频/视频系统的输入信号。当这些输入信号被修正以便补偿音频/视频重放的中间级和最后级中的缺点时，来自便宜的系统的结果的音频/视频输出能够与来自高保真度的、但昂贵的音频/视频系统的输出相匹敌。
公开了用于监视来自音频视频系统的输出信号和修正输入到音频视频系统的输入信号的方法和设备。在一个实施例中，确定所述音频视频系统的系统响应。在确定系统响应以后，所述输入信号按照所述系统响应被修正，以使得所述输出信号是所述输入信号的最佳重现。
本发明通过例子来说明，并且不受附图的图形的限制，其中相同的标号表示相同的元件，以及其中：
图1显示用于动态增强立体声图象的现有技术方法的方框图。
图2显示本发明的方框图。
图3显示本发明可以如何地被使用的例子。
图4显示本发明的一个实施例的配置。
图5显示本发明的一个实施例的流程图。
公开了用于监视和修正音频视频系统的输入和输出信号的方法和设备。在以下的说明中，阐述特定的细节，诸如触发事件，以便提供对本发明透彻的了解。然而，本领域技术人员将会看到，本发明可以不用这些特定的细节而得以实现。在其它的事例中，熟知的单元，诸如离散富立叶变换，快速富立叶变换，频域，时域和线性时变系统等不再以具体的细节进行说明，以免不必要地掩盖了本发明。
图1显示Klayman(1988年5月31日公布的美国专利4,748,669，第7栏，第5-7行)方法和设备的方框图，用于提供左与右立体声信号的和值与差值的动态均衡，以便得到更宽的立体声图象和更宽的收听区域。而且，动态差值信号均衡器19，固定差值信号均衡器18，和增益控制放大器22协同选择地改变或修正差值信号频率分量的相对幅度(在这里，也称为“分量”或“频率”)，以便提供一个处理的差值信号(L-R)p(Klayman，第7栏，第12-18行)。类似的方法被应用来提供一个处理的和值信号(L+R)p(K1ayman，第7列，第18-22行)。
图2显示本发明的方框图。不是集中在相加和相减音频系统的左和右信道，本发明覆盖音频视频系统的所有的音频视频信道以及自适应地修正输入到音频视频系统的适当的输入信号，以便补偿任何的重放缺陷。这些缺陷可以是在音频输出的频域上的，或在视频输出的几何形状，亮度或彩色方面的。在下面详细地说明图2。
本发明的另一个独特的特性是它的主动监视和修正方案。不像Klayman的、在重放信号以前修正输出信号方法，诸如衰减或提升某些频率的信号幅度或滤除在一定的频率内的输出信号，本发明随手修正输入信号。具体地，本发明监视音频视频系统的系统特性。在适当时，音频视频系统的输入信号被改变成适合于相应的系统特性。因此，只要系统响应是很有特征的，即使便宜的音频视频设备组也能够产生优质的音频视频输出。
图3显示其中使用本发明的家庭影剧院设置。在一个实施例中，反馈传感器301，包含视频照相机和一个或多个话筒，监视来自听众/观众302看法方面的音频/视频输出。然后，信号监视器/修正器303比较记录的输出信号与音频/视频部件304的输入信号，而同时考虑系统的信号传输时固有的延时。具体地，视频信号中的重大的延时需要特别的衰减。这个延时是由于来自一维时变信号的视频信息传输到二维显示器而造成的。为了克服这个延时，监视器/修正器303所以必须具有高速贮存能力来存储几十毫秒的原先的输入视频信号，用于它的比较步骤。同样地，在扬声器306与听众/观众302的看法之间的音频延时也要求监视器/修正器303中的高速贮存能力。在输出信号与输入信号进行比较以后，在适当时，信号监视器/修正器303改变音频视频部件304的输入信号，并产生TV 305上改进的图象和来自扬声器306的改进的声音。
应当指出，图2显示了在设备中或在通用计算机系统中被实施的或编程的本发明的方框图。图4上进一步显示了用于本发明的一个实施例的这样的设备或计算机系统结构。
参照图4，系统结构包括用于传送信息的总线单元410，与所述总线单元410相耦合的处理器412，用于处理信息，与所述总线单元410相耦合的随机存取存储器414，用于存储用于所述处理器412的静态信息和指令，被耦合到所述总线单元410的输入装置416，用于接收输入到所述设备或所述通用计算机系统的外部信息，诸如音频输入端403，视频输入端404，音频输出端405，视频输出端406，和传感器420，以及被耦合到所述总线单元410的输出装置418，用于传送处理的信息到到除了所述设备或所述通用计算机系统以外的系统，诸如音频部件401和视频部件402。还应当指出，传感器420可以或者是在不同的盒子内的独立的音频/视频传感器，或者是在一个盒子内的、能够检测音频/视频的、一个组合的传感器。传感器420也可以是输入装置416的一部分。
音频部件401典型地包含预放大器、译码器和放大器。在译码器分离出不同的信号用于不同的信道(即，左、右、中心、左环绕、和右环绕)以后，放大器驱动这些电信号给它们的相应的扬声器。然后，扬声器把这些电信号变换成适当的机械运动并产生音频输出405。另一方面，视频部件402经常是音频/视频接收机的视频缓存器/开关子系统或显示装置的视频输入子系统。视频输入404包含来自信号源的信号，诸如盒式录象带放像机，激光视盘放像机，或DVD放像机，以及馈送到输入装置416。在对接收的视盘信息执行必要的处理以后，输出418发送修正信号或命令给视盘部件402。当显示装置接收来自视盘部件402的输出时，该装置然后重放视盘输出406。
本发明的运行
本发明是用于监视音频/视盘信号的输出信号和修正音频/视盘信号的输入信号的方法和设备。本发明的一个方面利用数字信号处理原理。概略地，当信号运行在时域时，它的幅度代表时间的函数。时域系统响应的特征在于系统对于无穷小持续时间和单位幅度的脉冲输入的响应。另一方面，频率响应通过熟知的数学关系，诸如富立叶变换等，与时域相联系。而且，通过把图3所示的家庭影剧院系统建立模型为线性时变系统，时域中音频/视盘部件的系统响应可以与另一个部件的系统响应进行卷积，形成两个部件的组合的系统响应。通过线性时变假设，由于时域中的卷积直接转换成频域中的乘法，在频域中两个分开的部件的总的系统响应因此可以通过把一个部件的系统响应与另一个部件的系统响应相乘而被确定。
本发明的一个实施例是图2所示的、包含各个部件的通用计算机系统。通常，计算机系统中的接收机201在信号到达音频/视频部件205以前，截取音频/视频信号200。同时，接收机201也接收来自传感器207的音频/视频部件信号208，传感器从扬声器/显示装置208获取信号。音频/视频输入信号200和输出信号208被馈送到系统分析机202，其中根据幅度和延时的信号频率响应通过使用熟知的算法，诸如离散富立叶变换计算算法，而被计算。
除了确定频率响应以外，系统分析机202也计算诸如显示装置206的几何形状失真、过扫描或欠扫描、和从扬声器206到传感器207的声音延时等那样的信息。根据计算的频率响应和其它系统特性，分析机202进行公式计算组合的系统响应，包括对于音频/视频部件205、扬声器/显示装置206和传感器207的系统响应。一旦总的系统响应被建立，滤波器203就等于系统响应的倒数。
应当指出，传感器207的响应多半是已知的，或在确定组合的系统响应以前被预先确定。另外，由于把家庭影剧院系统建模为线性时变系统仅仅是一个近似，分析机202也利用不同于上述的数字信号处理技术的方法来确定系统响应。例如，分析机202可以在传感器207的输出与来自输入200的预期的数值之间逐个象素地进行比较。由各个象素属性(诸如，象素坐标，彩色或亮度数值)的比较而得到的任何偏差公式计算相应于每个这些属性的系统响应。如果这些系统响应引入几何形状、彩色和亮度的失真到系统中，则滤波器203试图逆转这些失真。
在确定滤波器203以后，音频/视频输入200被滤波器203修正，以及修正的信号被发送到发射机204，用于发送到音频/视频部件205。在本发明的另一个实施例中，发射机204有时发送命令，而不是修正的信号，给音频/视频部件205。具体地，这些命令激起音频/视频部件205中的必要的调节，诸如音调、饱和或平衡，以便产生输出，作为从修正的信号得出的输出的模型。另外，这些所述的调节可以由音频/视频部件205自动地，或由用户人工地执行。在利用人工调节的一个实施例中，信号监视器/修正器具有命令显示器，它指导用户修正音频/视频部件的设置和配置。
因为修正的信号适合于总的系统响应，所以从修正的信号得出的新的输出208变成为原先的音频/视频输入200的最佳重现。以下的数学公式将进一步阐明图2的部件之间的关系：
-假定音频/视频部件205、扬声器/显示装置206和传感器207都是线性时变系统。
-音频/视频输入200的频率响应被表示为I。
-输出信号208的频率响应被表示为O。
-音频/视频部件205的系统响应被表示为H1。
-扬声器/显示装置206的系统响应被表示为H2。
-传感器207的系统响应被表示为H3。
-滤波器203的频率响应被表示为F。
公式1：总的系统响应是H1,H2，和H3的乘积(或H1*H2*H3)。
公式2：发射机204发送给音频/视频部件205的信号是I*F。
公式3：总的系统响应也等于O/(I*F)或是公式1中的H1*H2*H3。
公式4：目标是达到O=I。
由于O/(I*F)=H1*H2*H3，以及
如果F=H1*H2*H3，则O=I。
另一方面，即使没有线性时变假设，不同的方程组也可描述与上述的相同的部件之间的关系。
-音频/视频输入200被表示为i。
-输出信号208被表示为o。
-音频/视频部件205的系统响应被表示为h1。
-扬声器/显示装置206的系统响应被表示为h2。
-传感器207的系统响应被表示为h3。
-滤波器203被表示为f-1。
-总的系统响应是h1,h2，和h3的函数，或f(h1,h2,h3)。
公式1：o=把f(h1,h2,h3)应用到i。
公式2：目标是达到o=i。
因此，滤波器203应当代表总的系统响应的倒数或f-1(h1,h2,h3)。
校正显示系统中的几何形状失真或找出f-1(h1,h2,h3)的一个方法包含以下步骤：(1)识别测试信号中的关键特性；(2)增强该关键特性；(3)馈送测试信号到该系统；(4)把测试信号与相应于测试信号的输出进行比较；(5)识别输出中的预先识别的关键特性；(6)把测试信号与输出中的关键特性的放置位置进行比较；(7)确定在两个位置之间的任何差异；(8)通过使用关键特性作为参考点，计算任何其它的象素的误放置；(9)公式计算f-1(h1,h2,h3)，修正错误。应当指出，类似的步骤也可应用于彩色或亮度失真。
正如以上的方程和说明中证明的，当输入信号被适当地修正时，相应的输出信号可以与输入信号相同。
图5进一步以流程图说明本发明的一个实施例。在步骤501，测试信号初始地发送到音频/视频部件205。一旦接收机201接收相应的输出208，在步骤502，系统分析机202就把输出208的频率响应除以测试信号的频率响应，以及建立总的系统响应。另外，在这一级，触发事件被确定和被起动。当在步骤506发生触发事件时，滤波器203用来倒置紧接在触发事件发生以前所计算的系统响应。触发事件的某些例子是预定的时间间隔消逝或发生预定的事件。例如，无论何时特定的时间间隔消逝时或无论何时某个频率的幅度超过预定的门限值时，滤波器203可以自适应于新计算的系统响应。
然而，应当指出，在步骤501的、与测试信号501的初始系统响应偏差不限于单次迭代。而是，也可以使用通过测试信号序列来计算系统响应的迭代过程。而且，触发事件的机制不限于以上的说明。确定和起动触发事件的序列和方式不需要遵循以上详细讨论的精确的序列和方式。在确定触发事件以后，滤波器203在步骤503被设置成从测试信号得出的初始系统响应的倒数。在步骤504，以后的输入信号通过把输入信号频率响应与滤波器203的频率响应相乘而被修正。这样的修正相应于先前讨论的公式2。对于新的输入信号200，在步骤505计算新的系统响应。如果在步骤506没有出现触发事件，则滤波器203保持不变，继续修正进入的信号200。
虽然在信号重现路径上只识别和描述了部件205,206和207，但其它部件也可被加入，以便进一步模仿总的系统运行情况。这样的部件可以在校正级中被识别，以及被用来进一步改进本发明的有效性。而且，本发明的某些特性可以是音频/视频部件205或任何其它适当的部件的一部分。在设备或通用计算机内对于保持所有的讨论的特性不打算有特别的需求。
这样，公开了用于监视和修正音频/视频系统的输入和输出信号的方法和处理过程。虽然本发明是具体相对于附图描述的，但本领域普通技术人员将会看到，本发明可以出现在任何的、多个音频/视频信号监视和修正系统。预期本领域普通技术人员可以作出许多改变和修正，而不会背离本发明的精神和范围。
Claims (23)
1．一种用于监视来自音频/视频系统的输出信号和修正输入到音频/视频系统的输入信号的方法，该方法包括以下步骤：
a．确定所述音频/视频系统的系统响应；以及
b．按照所述系统响应修正所述输入信号，以使得所述输出信号是所述输入信号的最佳重现。
2．按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤(a)需要使用特性很好的音频/视频传感器。
3．按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤(a)通过使用所述输入信号和所述输出信号的频率响应来计算所述系统响应。
4．按照权利要求3的方法，其特征在于还包括以下步骤：
ⅰ．通过使用所述输出信号的频率响应和测试信号作为所述输入信号计算初始的所述系统响应；以及
ⅱ．通过使用加到所述音频/视频系统的所述输入信号和来自所述音频/视频系统的所述输出信号的频率响应计算以后的所述系统响应。
5．按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤(b)通过把所述输入信号的频率响应与所述系统响应的倒数相乘而修正所述输入信号。
6．按照权利要求5的方法，其特征在于还包括以下步骤：
ⅰ．一开始把所述输入信号的频率响应与所述测试信号的系统响应的倒数相乘；以及
ⅱ．在发生触发事件以后，即预定的时间间隔过后或出现预定的事件以后，把以后的所述输入信号的频率响应与紧接在所述触发事件以前得出的、所述的以后的系统响应的倒数相乘。
7．按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤(a)还包括以下步骤：
ⅰ．通过使用测试信号作为所述输入信号计算初始的所述系统响应；以及
ⅱ．通过比较来自所述音频/视频系统的所述输出与所述测试信号而计算所述系统响应。
8．按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤(b)通过把所述系统响应的倒数施加到所述输入信号而修正所述输入信号。
9．按照权利要求8的方法，其特征在于还包括以下步骤：
ⅰ．一开始把相应于所述测试信号的所述系统响应的倒数加到所述输入信号；以及
ⅱ．在发生触发事件以后，即预定的时间间隔过后或出现预定的事件以后，把紧接在所述触发事件以前得出的、所述的以后的系统响应的倒数加到以后的所述输入信号。
10．一种用于监视来自音频/视频系统的输出信号和修正输入到音频/视频系统的输入信号的设备，包括：
a．处理器；
b．存储器；
c．特性良好的传感器；
d．接收装置，用于接收所述输入信号和所述输出信号；
e．发射装置，用于发射修正的所述输入信号；
f．确定装置，用于确定所述音频/视频系统的系统响应；以及
g．修正装置，用于按照所述系统响应修正所述输入信号，以使得所述输出信号是所述输入信号的最佳重现。
11．按照权利要求10的设备，其特征在于，所述用于确定系统响应的装置包括计算装置，用于计算所述输入信号与所述输出信号的频率响应。
12．按照权利要求11的设备，其特征在于，所述用于确定系统响应的装置包括：
ⅰ．用于通过使用所述输出信号的频率响应与测试信号作为所述输入信号计算初始的所述系统响应的装置；以及
ⅱ．用于通过使用加到所述音频/视频系统的所述输入信号和来自所述音频/视频系统的所述输出信号的频率响应计算以后的所述系统响应的装置。
13．按照权利要求10的设备，其特征在于，所述用于按照所述系统响应修正所述输入信号的装置包括用于把所述输入信号的频率响应与所述系统响应的倒数相乘的装置。
14．按照权利要求12的设备，其特征在于，所述用于按照所述系统响应修正所述输入信号的装置包括：
ⅰ．用于一开始把所述输入信号的频率响应与所述测试信号的系统响应的倒数相乘的装置；以及
ⅱ．在发生触发事件以后，即预定的时间间隔过后或出现预定的事件以后，用于把以后的所述输入信号的频率响应与紧接在所述触发事件以前得出的、所述的以后的系统响应的倒数相乘的装置。
15．按照权利要求10的设备，其特征在于，所述用于确定系统响应的装置包括：
ⅰ．用于通过使用测试信号作为所述输入信号计算初始的所述系统响应的装置；以及
ⅱ．用于通过比较来自所述音频/视频系统的所述输出与所述测试信号而计算所述系统响应的装置。
16．按照权利要求10的设备，其特征在于，所述用于按照所述系统响应修正所述输入信号的装置包括：
ⅰ．用于一开始把相应于所述测试信号的所述系统响应的倒数加到所述输入信号的装置；以及
ⅱ．在发生触发事件以后，即预定的时间间隔过后或出现预定的事件以后，用于把紧接在所述触发事件以前得出的、所述的以后的系统响应的倒数加到以后的所述输入信号的装置。
17．用于监视来自音频/视频系统的输出信号和修正输入到音频/视频系统的输入信号的设备，包括：
a．处理器；
b．存储器；
c．特性良好的传感器；
d．接收机，用于接收所述输入信号和所述输出信号；
e．发射机，用于发射修正的所述输入信号；
f．系统分析机，用于确定所述音频/视频系统的系统响应；以及
g．滤波器，用于按照所述系统响应修正所述输入信号，以使得所述输出信号是所述输入信号的最佳重现。
18．按照权利要求17的设备，其特征在于，所述系统分析机计算所述输入信号与所述输出信号的频率响应。
19．按照权利要求18的设备，其特征在于，所述系统分析机：
ⅰ．通过使用所述输出信号的频率响应与测试信号作为所述输入信号计算初始的所述系统响应；以及
ⅱ．通过使用加到所述音频/视频系统的所述输入信号和来自所述音频/视频系统的所述输出信号的频率响应计算以后的所述系统响应。
20．按照权利要求17的设备，其特征在于，所述滤波器等于所述系统响应的倒数。
21．按照权利要求19的设备，其特征在于，所述滤波器：
ⅰ．一开始等于所述测试信号的系统响应的倒数；以及
ⅱ．在发生触发事件以后，即预定的时间间隔过后或出现预定的事件以后，等于紧接在所述触发事件以前得出的、所述的以后的系统响应的倒数。
22．按照权利要求17的设备，其特征在于，所述系统分析机：
ⅰ．通过使用测试信号作为所述输入信号计算初始的所述系统响应；以及
ⅱ．通过比较来自所述音频/视频系统的所述输出与所述测试信号而计算所述系统响应。
23．按照权利要求17的设备，其特征在于，所述滤波器：
ⅰ．一开始等于相应于所述测试信号的所述系统响应的倒数；以及
ⅱ．在发生触发事件以后，即预定的时间间隔过后或出现预定的事件以后，等于紧接在所述触发事件以前得出的、所述的以后的系统响应的倒数。
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